発電誘発性塩素ジオキシドヨウ素マロン酸反応とブリュッセルレーター反応拡散システムにおける電界誘導空間パターン形成

イオン種を含む反応拡散システムは、外部から適用された電界の影響を受けやすい。イオン種の電荷と印加された電界の強度に応じて、多様な空間的パターンが出現する可能性があります。ここでは、活性化因子阻害剤の動態に従う2つのプロトタイプの反応拡散システムを検討しました：光感受性二酸化塩素 - ヨウ素 - マロン酸（CDIMA）反応とブリュッセル化因子モデル。理論的調査と数値シミュレーションにより、外部から適用された電界がこれらの2つのシステムのダイナミクスを誘導および修正する方法と程度まで、どのように、そしてどの程度変更できるかを解明します。我々の結果は、統一および双方向の電界の両方が、光感受性CDIMAシステムに水平、垂直、または曲がったストライプのような不均一性をもたらす均一な均一な状態からチューリング様の静止パターンを誘導する可能性があることを示しています。対照的に、ブリュセレーターモデルでは、アクティベーターと同じ正電荷または負の電荷を有する阻害剤種の場合、拡散係数が同一である場合、外部から適用された電界は空間的不安定性を発達させることはできません。ただし、移動するスポットやストライプのような構造を含む相互作用する種の同じ反対の電荷、および波節約の現象が観察されているさまざまな空間的パターンが現れます。さらに、イオン電荷の同じ兆候と異なる大きさは、ブリュッセレーターモデルの場合の適用された電界の強度に応じて、均質で安定した、定常状態からチューリングのような静止パターンを引き起こす可能性があります。私たちの調査結果は、実験的反応拡散システムにおける電界誘発性のさまざまな時空間的不安定性の予測を検証するための将来の実験の可能性を開きます。

Reaction-diffusion systems involving ionic species are susceptible to an externally applied electric field. Depending on the charges on the ionic species and the intensity of the applied electric field, diverse spatiotemporal patterns can emerge. We here considered two prototypical reaction-diffusion systems that follow activator-inhibitor kinetics: the photosensitive chlorine dioxide-iodine-malonic acid (CDIMA) reaction and the Brusselator model. By theoretical investigation and numerical simulations, we unravel how and to what extent an externally applied electric field can induce and modify the dynamics of these two systems. Our results show that both the uni- and bi-directional electric fields may induce Turing-like stationary patterns from a homogeneous uniform state resulting in horizontal, vertical, or bent stripe-like inhomogeneity in the photosensitive CDIMA system. In contrast, in the Brusselator model, for the activator and the inhibitor species having the same positive or negative charges, the externally applied electric field cannot develop any spatiotemporal instability when the diffusion coefficients are identical. However, various spatiotemporal patterns emerge for the same opposite charges of the interacting species, including moving spots and stripe-like structures, and a phenomenon of wave-splitting is observed. Moreover, the same sign and different magnitudes of the ionic charges can give rise to Turing-like stationary patterns from a homogeneous, stable, steady state depending upon the intensity of the applied electric field in the case of the Brusselator model. Our findings open the possibilities for future experiments to verify the predictions of electric field-induced various spatiotemporal instabilities in experimental reaction-diffusion systems.